A existência de supernovas de captura de elétrons pode explicar a Nebulosa do Caranguejo.
Os astrônomos podem ter finalmente descoberto evidências convincentes de um tipo elusivo de supernova, que poderia explicar uma explosão brilhante que iluminou o céu noturno da Terra há quase 1.000 anos e deu origem à bela Nebulosa do Caranguejo, descobriu um novo estudo.
Supernovas são explosões gigantes que podem ocorrer quando as estrelas morrem. Essas explosões podem ofuscar brevemente todos os outros sóis nas galáxias dessas estrelas, tornando-as visíveis da metade do universo.
Por décadas, os cientistas conheceram dois tipos principais de supernovas. Estrelas grandes, com mais de 10 vezes a massa do Sol, colapsam em seus centros quando seus núcleos queimam todo o combustível, fazendo com que as camadas externas explodam e deixando para trás uma estrela de nêutrons ou um buraco negro. Em contraste, estrelas com menos de oito vezes a massa do Sol queimam ao longo do tempo para deixar um núcleo denso de cinzas conhecido como anã branca, e esses remanescentes podem puxar combustível para si próprios de estrelas companheiras até detonarem em uma explosão termonuclear.
Estrelas entre oito e 10 massas solares deveriam teoricamente explodir de uma maneira diferente. Suas gigantescas pressões internas forçariam os elétrons a se fundir com os núcleos atômicos. Esses elétrons normalmente se repelem, então sua remoção leva a uma queda na pressão dentro da estrela. O núcleo da estrela então entra em colapso, desencadeando uma explosão das camadas circundantes e deixando para trás uma estrela de nêutrons ligeiramente mais massiva do que o sol.
O astrofísico Ken’ichi Nomoto da Universidade de Tóquio e seus colegas teorizaram pela primeira vez essas supernovas de “captura de elétrons” em 1980. Ao longo das décadas, os cientistas desenvolveram previsões do que procurar em uma supernova de captura de elétrons e em sua estrela progenitora, mas eles nunca tinha realmente confirmado uma estrela detonando dessa maneira.
Pesquisas anteriores sugeriram que supernovas de captura de elétrons poderiam ajudar a resolver um mistério de mil anos – uma supernova em 1054 DC que, de acordo com registros chineses e japoneses, era tão brilhante que podia ser vista durante o dia por 23 dias e à noite por quase dois anos. Seus remanescentes se tornaram a Nebulosa do Caranguejo. Trabalhos anteriores sugeriram que essa explosão, SN 1054, era uma supernova de captura de elétrons, mas isso era incerto em parte porque aconteceu há quase um milênio.
“SN 1054 foi um evento tão espetacular que as pessoas o gravaram em todo o mundo e preservaram os registros por 1.000 anos”, estudo co-autor Andy Howell, astrofísico da Universidade da Califórnia, Santa Bárbara, e Las Cumbres Observatory, uma rede mundial de telescópios ópticos robóticos, disse Space.com.
Agora, uma estrela em explosão detectada pela primeira vez em 2018 pode ser o primeiro exemplo forte de uma supernova de captura de elétrons. “Este é um marco importante em nossa compreensão da evolução estelar e da física das supernovas – quais estrelas explodem e quais não”, disse o autor do estudo Daichi Hiramatsu, astrofísico da Universidade da Califórnia, Santa Bárbara e Observatório Las Cumbres. Space.com.
Uma supernova esquiva encontrada
O astrônomo amador Koichi Itagaki, no Japão, detectou a supernova SN 2018zd em março de 2018, cerca de três horas após a explosão. Pouco depois da descoberta da supernova, o co-autor do estudo Schuyler Van Dyk, um cientista pesquisador sênior do Instituto de Tecnologia da Califórnia em Pasadena, conseguiu uma imagem do Telescópio Espacial Hubble da supernova. Depois de comparar esta foto com imagens de arquivo do Telescópio Espacial Hubble tiradas anteriormente daquela área do céu, ele identificou a estrela progenitora da supernova na galáxia NGC 2146, a cerca de 31 milhões de anos-luz da Terra.
Conhecer a identidade da estrela progenitora de SN 2018zd ajudou os pesquisadores a comparar a estrela e a supernova com décadas de modelos de supernovas de captura de elétrons.
“Estou muito satisfeito que a supernova de captura de elétrons foi finalmente descoberta, que meus colegas e eu previmos que existisse”, disse Nomoto, co-autor do estudo atual, em um comunicado. “Este é um caso maravilhoso de combinação de observações e teoria.”
Com base em modelos de Nomoto e outros astrônomos, existem seis critérios-chave para uma estrela progenitora de uma supernova de captura de elétrons:
– Deve possuir entre oito e 10 massas solares. Os candidatos incluem estrelas de ramos gigantes superassintóticas – isto é, velhas gigantes vermelhas inchadas, as estrelas mais largas possíveis.
– Ele deve perder a maior parte de sua massa antes de explodir.
– Este material de depósito deve estar principalmente na forma de hélio, carbono e nitrogênio, mas conter pouco oxigênio. “Isso tem a ver com reações de fusão muito complicadas durante a vida da estrela”, bem como agitação nas camadas externas da estrela, e quais elementos das profundezas da estrela são dragados para sua superfície, disse Howell. “A estrela tem uma estrutura em camadas pouco antes de explodir, com elementos mais leves em cima dos mais pesados. A camada de oxigênio mais pesada ficava mais abaixo.”
– A explosão deve ser relativamente fraca em comparação com outras supernovas. “A energia cinética dos gases ejetados é cerca de um décimo da de outras supernovas”, disse ao Space.com o co-autor do estudo Alex Filippenko, astrofísico da Universidade da Califórnia em Berkeley.
– A supernova deve ter pouca precipitação radioativa em comparação com outras supernovas. Por exemplo, quando se trata de níquel radioativo, o principal elemento radioativo que as supernovas produzem, as supernovas de captura de elétrons produzem apenas cerca de um décimo do níquel radioativo de uma supernova de colapso do núcleo normal e cerca de um centésimo do níquel radioativo uma supernova termonuclear normal, disse Filippenko.
O progenitor deve possuir muitos elementos ricos em nêutrons em seu núcleo.
Os cientistas descobriram que o SN 2018zd e seu progenitor correspondiam às previsões para uma supernova de captura de elétrons e sua estrela de origem. O progenitor era uma velha gigante vermelha inchada que havia derramado uma fração significativa de sua massa antes da explosão, e o gás ao redor dessa estrela tinha a composição esperada. A explosão foi relativamente fraca, produziu pouco níquel radioativo e possuía elementos ricos em nêutrons, como o níquel, em seu núcleo.
“Esse foi um dos principais componentes que nunca foram feitos para outras supernovas candidatas à captura de elétrons – eles nunca tiveram uma estrela progenitora viável identificada”, disse Filippenko em um comunicado.
Os pesquisadores examinaram todos os dados publicados sobre supernovas e descobriram que, embora alguns tivessem alguns desses indicadores previstos para supernovas de captura de elétrons, apenas SN 2018zd tinha todos os seis.
“Começamos perguntando ‘o que é isso esquisito?'” Hiramatsu disse em um comunicado. “Então, examinamos todos os aspectos do SN 2018zd e percebemos que todos eles podem ser explicados no cenário de captura de elétrons.”
As novas descobertas sugeriram que o SN 2018zd era semelhante ao SN 1054 – em particular, um brilho muito duradouro. Isso sugere que a explosão medieval foi de fato uma supernova de captura de elétrons.
Supernovas de captura de elétrons explicadas
Supernovas de captura de elétrons geralmente têm brilhos de longa duração porque suas estrelas progenitoras normalmente perdem muita massa antes de explodir. O gás em expansão da supernova então colide com essa massa de derramamento anterior, iluminando-a. No entanto, as supernovas de captura de elétrons também desaparecem rapidamente após um platô que dura alguns meses, porque não produzem muito níquel radioativo. Portanto, eles são mais brilhantes do que as supernovas de colapso do núcleo padrão no início e, em seguida, mais fracos depois de alguns meses, disse Filippenko.
“O último aspecto é o que não foi levado em consideração quando a análise inicial da supernova do Caranguejo foi feita há quatro décadas”, disse Filippenko. “Nosso trabalho fornece suporte adicional e mais convincente para a ideia de que a Nebulosa do Caranguejo foi produzida por uma supernova de captura de elétrons.”
Melhores modelos teóricos de supernovas de captura de elétrons ainda são necessários para entender como eles se originam e evoluem ao longo do tempo.
“Um problema é que os modelos teóricos para esses eventos são bastante incertos, porque a física é muito complicada”, disse Howell, que também é o líder do Global Supernova Project, uma equipe mundial de cientistas que usa dezenas de telescópios na Terra e no espaço para observar supernovas. Essas novas descobertas “fornecerão alguma orientação de observação muito necessária sobre quais soluções são realizadas na natureza”, explicou ele.
Pesquisas atuais em grande escala do céu noturno podem detectar mais exemplos de supernovas de captura de elétrons, disse Filippenko.
Os astrônomos também “precisam voltar e reavaliar as supernovas mais antigas para ver se elas também podem resultar da captura de elétrons”, acrescentou Howell. “Muitas outras supernovas mostram algumas das características do SN 2018zd, mas elas simplesmente não são tão extremas. Agora temos que voltar e dar uma nova olhada nos dados mais antigos.”
Em suma, esse trabalho pode nos ajudar a entender melhor as origens de nosso mundo e de nós mesmos. “Sua massa corporal é 72% material criado em uma supernova”, disse Howell. “Entender como as supernovas cozinham e expelem elementos no universo nos ajuda a nos entender.”
Publicado em 29/06/2021 02h53
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